Une étude fondée sur des observations simultanées de MAVEN et Tianwen-1 révèle que le vent solaire génère de gigantesques vagues de particules à la surface de la haute atmosphère de Mars, favorisant l’échappement d’ions atmosphériques. Ce processus pourrait aider à expliquer pourquoi la planète a perdu une grande partie de son atmosphère au cours de ses milliards d’années d’existence, ainsi que les effets qui en ont résulté, notamment la perte de l’eau liquide à sa surface.
Il est largement admis que Mars possédait autrefois un champ magnétique global, une atmosphère beaucoup plus épaisse et des indices attestant de la présence passée d’eau liquide à sa surface. De nombreux indices observationnels indiquent que la planète disposait de conditions permettant notamment la présence d’eau liquide à sa surface peu après sa formation.
Elle est cependant aujourd’hui extrêmement aride, son champ magnétique global ayant disparu et son atmosphère étant devenue très ténue et dominée par du CO₂. La disparition du champ magnétique global a modifié l’interaction entre Mars et le vent solaire et a probablement favorisé certains mécanismes d’échappement atmosphérique, l’atmosphère étant directement exposée au vent solaire.
L’atmosphère ténue de Mars continue d’être progressivement érodée par le vent solaire, qui projette des ions atmosphériques dans l’espace selon un processus appelé échappement ionique. Les particules chargées transportées par le vent interagissent directement avec sa haute atmosphère, transfèrent de l’énergie aux ions atmosphériques et les accélèrent jusqu’à ce qu’ils puissent s’échapper du champ gravitationnel de Mars et gagner l’espace interplanétaire.
Si cet échappement ionique ne représente actuellement qu’une petite proportion de la perte atmosphérique actuelle de Mars, on pense qu’il a probablement joué un rôle plus important il y a des milliards d’années, lorsque les conditions de vent solaire étaient beaucoup plus intenses.
D’autres processus sont également impliqués dans l’échappement ionique de l’atmosphère martienne, notamment des mécanismes localisés générant de brèves mais importantes phases d’échappement. Parmi ces processus figurent les nuages ou les vagues de plasma facilitant l’échappement d’ions atmosphériques martiens dans l’espace.
Si plusieurs mécanismes ont été proposés pour expliquer la formation de ces nuages, leur origine exacte fait encore l’objet de débats, faute de preuves observationnelles directes. Des chercheurs de l’Université de Boston mettent en lumière de nouveaux éléments suggérant que l’instabilité de Kelvin-Helmholtz (KHI) pourrait être à l’origine de ces nuages.
« On pense que Mars a autrefois été potentiellement habitable, avec une atmosphère plus dense et de l’eau liquide à sa surface. Étudier cette évolution permet de mieux comprendre comment les environnements planétaires évoluent au fil du temps», explique Chi Zhang, auteur principal de l’étude et chercheur au Centre de physique spatiale de l’Université de Boston.
Quand le vent solaire fait onduler la haute atmosphère
Les instabilités de Kelvin-Helmholtz se produisent lorsque deux fluides ou plasmas se déplacent à des vitesses différentes, créant un cisaillement à leur interface et pouvant générer des tourbillons et des vagues. Sur Terre, ce phénomène peut se manifester dans l’atmosphère ou à la surface de l’eau. Dans le cas de Mars, des études ont suggéré que le vent solaire peut générer des instabilités similaires à l’interface entre le plasma du vent solaire et la haute atmosphère martienne.
L’identification de preuves observationnelles permettant d’étayer cette hypothèse constituait cependant un défi, car un seul engin spatial ne pouvait mesurer simultanément la dynamique du vent solaire dans la haute atmosphère de Mars et les ions s’échappant de son atmosphère. Dans une étude précédente, Zhang et ses collègues ont démontré que des observations simultanées des missions MAVEN et Tianwen-1 permettaient d’établir un lien direct entre les variations du vent solaire en amont et l’environnement spatial martien.
La nouvelle étude, détaillée dans la revue Science Advances, s’est appuyée sur ces observations pour montrer que les nuages de plasma observés dans la haute atmosphère martienne sont compatibles avec une origine liée aux instabilités de Kelvin-Helmholtz. Les données indiquent cependant que le processus ne se déroule pas uniformément autour de la planète, mais qu’il est principalement observé d’un seul côté en fonction de la direction du champ électrique du vent solaire.
D’après les chercheurs, ces résultats apportent des éléments en faveur d’un lien entre les instabilités de Kelvin-Helmholtz et l’échappement accru d’ions atmosphériques de Mars. « Les recherches futures s’attacheront à identifier les conditions favorisant la formation et le développement des ondes de Kelvin-Helmholtz et à déterminer leur contribution à l’échappement atmosphérique de Mars », a indiqué Zhang.
L’équipe prévoit également à l’avenir de déterminer les périodes de formation de ces ondes, ainsi que leur évolution et leur capacité à induire des échappements d’ions atmosphériques. La compréhension complète de ce processus pourrait contribuer à déterminer si des mécanismes similaires pourraient également se produire sur d’autres planètes dépourvues de champ magnétique stable, notamment certaines exoplanètes.
